Литий-серные аккумуляторы давно рассматриваются как возможная альтернатива привычным литий-ионным батареям, особенно там, где каждый грамм имеет значение. Теперь австралийские инженеры получили наглядное подтверждение их потенциала: беспилотник Pegasus с размахом крыла пять метров провел в воздухе почти два часа и преодолел более 75 км, используя в основном энергию одного литий-серного аккумуляторного блока. При посадке в батарее еще оставался запас энергии.
Испытания прошли в штате Квинсленд и стали завершающим этапом проекта, финансируемого правительством Австралии в рамках программы Emerging Aviation Technology Partnership. В разработке Pegasus участвовали три австралийские компании: V-TOL Aerospace, Li-S Energy и Halocell Energy.
Почему литий-серные батареи интересны для авиации
Главное преимущество литий-серной химии — потенциально более высокая удельная энергоемкость по сравнению с традиционными литий-ионными аккумуляторами.
Для автомобиля лишний килограмм аккумулятора — проблема, но для самолета или беспилотника это уже принципиальный фактор. Чем тяжелее батарея, тем больше энергии требуется для самого полета, а значит, меньше остается на полезную нагрузку и продолжительность работы.
Литий-серные аккумуляторы способны теоретически запасать больше энергии при меньшей массе. Кроме того, сера значительно доступнее и дешевле многих материалов, применяемых в современных аккумуляторных технологиях.
Однако до недавнего времени эта химия сталкивалась с серьезными инженерными трудностями. Среди них — управление температурой и ограниченный ресурс при многократных циклах зарядки и разрядки. Поэтому литий-серные батареи долго оставались многообещающей технологией, которая хорошо выглядела на бумаге, но с трудом переходила к практическим применениям.
Испытание Pegasus показывает, что некоторые из этих проблем постепенно удается решать.
Как устроена силовая установка Pegasus
Pegasus создавался специально как испытательная платформа, а не переделывался из уже существующего серийного беспилотника.
V-TOL Aerospace разработала сам планер с большим удлинением крыла и электрическую систему распределения энергии. За счет такого аэродинамического решения аппарат может эффективно планировать и поддерживать полет, не расходуя чрезмерное количество энергии на создание подъемной силы.
Электрическую тягу обеспечивают два электродвигателя. Их питает аккумулятор Li-S Energy емкостью 382 Вт·ч, снабженный специальной системой управления батареей (BMS — Battery Management System). Она контролирует параметры аккумулятора и распределение энергии с учетом специфики полета.
Но на одной батарее энергетическая система Pegasus не заканчивается.
Солнце помогает аккумулятору
Поверхность беспилотника покрыта массивом перовскитных солнечных элементов, разработанных компанией Halocell Energy.
Перовскиты — класс материалов, обладающих интересными фотоэлектрическими свойствами. Их рассматривают как перспективную альтернативу традиционным кремниевым солнечным элементам, в том числе благодаря возможности создавать легкие и тонкие солнечные покрытия.
В случае Pegasus солнечная панель интегрирована непосредственно в конструкцию самолета. Во время полета электроника должна одновременно обеспечивать работу двух электромоторов и учитывать постоянно меняющийся объем энергии, поступающей от солнечных элементов.
Именно сочетание легкой конструкции, литий-серной батареи и солнечной генерации позволяет экспериментальному самолету оставаться в воздухе продолжительное время.
При этом важно не создавать впечатление, будто солнечная энергия полностью обеспечила рекордный полет: основным источником энергии оставался один аккумуляторный блок, а солнечная система лишь дополняла его.
Почти два часа в воздухе
Во время испытательного полета Pegasus находился в воздухе почти два часа и преодолел более 75 км. После завершения миссии у него оставался запас энергии.
По словам Марка Ксавьера (Mark Xavier), управляющего директора и генерального директора V-TOL Aerospace, планер и силовая установка работали без сбоев, а сочетание конструкции самолета с легкой аккумуляторной системой Li-S Energy обеспечило заметный выигрыш в продолжительности полета.
Испытание стало своеобразной проверкой всей системы целиком. Одно дело — получить хорошие характеристики отдельного аккумуляторного элемента в лаборатории. Совсем другое — заставить батарею стабильно работать в реальном летательном аппарате, где постоянно меняются нагрузка, температура и потребление энергии.
После завершения полетов инженеры приступили к анализу телеметрии, чтобы определить реальные эксплуатационные возможности Pegasus и понять, насколько близко технология находится к коммерческому применению.
Что будет с дальностью полета дальше
Нынешняя конфигурация использовала только один аккумуляторный блок. Однако внутри Pegasus предусмотрено место сразу для двух.
Разработчики считают, что увеличение емкости аккумуляторной системы в сочетании с более совершенными солнечными покрытиями позволит значительно увеличить продолжительность полета. В перспективных вариантах речь идет о пяти-восьми часах в воздухе и дальности до 250 км за один вылет.
Это уже совсем другой класс возможностей.
Большинство аккумуляторных беспилотников приходится регулярно сажать для замены или подзарядки батарей. Если аппарат способен провести в воздухе значительную часть рабочего дня, он может выполнять продолжительные задачи практически без перерыва.
Например, такой беспилотник можно использовать для наблюдения за удаленными животноводческими хозяйствами, контроля линий электропередачи или мониторинга лесных массивов на предмет пожаров.
Зачем беспилотникам более легкие аккумуляторы
Продолжительность полета — далеко не единственный параметр, который определяет практическую ценность аккумулятора.
У беспилотника есть ограниченный запас грузоподъемности. Если слишком большая его часть приходится на батарею, остается меньше массы для камер, датчиков, средств связи и другого оборудования.
Поэтому более высокая удельная энергоемкость может дать сразу несколько преимуществ: увеличить дальность, продлить время пребывания в воздухе или позволить установить более тяжелое оборудование без увеличения взлетной массы.
Именно поэтому литий-серные аккумуляторы вызывают интерес не только у разработчиков гражданских беспилотников, но и в других областях, где требуется продолжительный автономный полет.
Австралийский проект стоимостью $1,35 млн
Pegasus стал частью австралийской программы Emerging Aviation Technology Partnership. Проект стартовал при поддержке правительства страны в 2024 году и получил более 1,35 млн австралийских долларов в рамках механизма софинансирования. Его целью было развитие собственных авиационных технологий и производственных компетенций Австралии.
В результате три компании смогли объединить технологии, которые по отдельности не обязательно дали бы такой эффект: V-TOL Aerospace отвечала за летательный аппарат и электрическую систему, Li-S Energy — за аккумулятор и систему управления им, а Halocell Energy — за перовскитные солнечные элементы.
Теперь партнеры намерены использовать результаты испытаний для дальнейшего развития Pegasus и создания коммерческого семейства беспилотных летательных аппаратов.
Li-S Energy уже подала две патентные заявки — на конструкцию аккумуляторного блока и его цифровую систему управления.
От экспериментального дрона к рабочему инструменту
Полет Pegasus не означает, что литий-серные аккумуляторы уже готовы полностью заменить литий-ионные батареи. Испытание одного беспилотника — важный практический результат, но для массового применения предстоит решить вопросы долговечности, стоимости, масштабирования производства и надежности при длительной эксплуатации.
Тем не менее здесь произошло нечто важное: перспективная химия аккумуляторов впервые демонстрирует свои преимущества не только в лабораторных расчетах, но и в реальном полете.
Если дальнейшие испытания подтвердят надежность технологии, комбинация легкой литий-серной батареи и солнечной генерации может сделать электрические беспилотники гораздо более выносливыми. А значит, дроны смогут дольше находиться над объектом наблюдения, реже возвращаться на базу и выполнять задачи, которые сегодня ограничены емкостью аккумуляторов.
В конечном счете именно такие практические испытания показывают, насколько близка новая аккумуляторная технология к настоящему рынку. Pegasus пока остается экспериментальной платформой, но его почти двухчасовой полет дает литий-серным батареям еще один серьезный аргумент в пользу будущего применения в авиации.
